CC BY
40
2015 Машиностроение, материаловедение Т. 17, № 3
DOI: 10.15593/2224-9877/2015.3.03 УДК 539.121.8.04
Т.О. Сошина
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Лысьвенский филиал, г. Лысьва, Россия
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МНОГОСЛОЙНОЙ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ Ti-Al-N C КОМПЛЕКСОМ СТАБИЛЬНЫХ И ВЫСОКИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ
Изучено влияние фазового состава, элементного состава и микроструктуры пленок на основе Ti-Al-N, полученных методом импульсного магнетронного распыления на их физико-механические и трибологические свойства. На основании установленных закономерностей влияния состава и структуры на функциональные свойства пленок Ti-Al-N разработана конструкция многослойной пленки Ti-TiN-fTh^AUN^Th^AUNmjn-Th^AUN« с чередующимися слоями TH-xAlxN^-Th-xAlxN^. Промежуточные слои Ti1.xAlxN обладают стабильным фазовым и элементным составом, заданной нанокристаллической (Ti-i^AUN«) и поликристаллической (Ti1_xAlxN„K) структурой. Фазовый и элементный состав слоев обеспечивает необходимый градиент физико-механических и трибологических свойств многослойной пленки и снижает коэффициент трения. Оптимальное содержание объемной доли фазы ft_Ti3Al2N2 и концентрации алюминия в пленке увеличивает сопротивляемость многослойной пленки на основе Ti_Al_N к абразивному износу в условиях прерывистого резания в среде СОЖ. Ударостойкие свойства многослойной пленки на основе Ti_Al_N зависят от сочетания объемных долей фаз ft_Ti3Al2N2 и с-AlN. Приведены результаты промышленных испытаний режущего инструмента, упрочненного многослойной пленкой с чередующимися слоями Ti-i^AUN^Th^AUN« при обработке 12Х18Н10Т, ЛС 59-1, Д16Т, 08кп, А12, 40Х и стеклотекстолита СТЭФ.
Ключевые слова: многослойные пленки, фазовый состав, элементный состав, физико-механические свойства, трибологические свойства, коррозионные свойства, нанокристалличе-ская структура, поликристаллическая структура.
Т.О. Soshina
Perm National Research Polytechnic University, Lysvensky branch, Lysva, Russian Federation
DEVELOPMENT OF THE CONSTRUCTION MULTILAYER FILM Ti-Al-N WITH STABILITY AND HIGH FUNCTIONAL PROPERTIES
The effect of phase composition, elemental composition and microstructure of the films based on Ti_Al_N, obtained by pulsed magnetron sputtering on their physical, mechanical and tribological properties has been studied. The multilayer film composition having alternating layers of Ti_TiN_
Некоторые особенности габаритно-массового подхода для исследования труб
[Ti1-xAlxN„K-Ti1-xAlxNHK]ri-Tii-xAlxNHK have been designed during the research of film composition and structure and their influence on the films'properties. Intermediate layers Ti1-xAlxN have stable phase and elemental composition, desired nanocrystalline (Ti1-xAlxNnk) and polycrystalline (Ti1-xAlxNpk) structure. Phase and elemental composition of the layers ensures necessary gradient physical-mechanical and tribological properties of the multilayer film and reduces the friction coefficient. The optimal content of the volume fraction of phase ft-Ti3Al2N2 and Al concentration in the film increases the resistance of the multilayer film based on Ti-Al-N abrasion interrupted cuts in the coolant. Impact resistant properties of the multilayer film based on Ti-Al-N depend on the combination of volume fractions of the phases' Ti3Al2N2 and ft-AlN. The article represents the results of industrial testing for the cutting tool with multilayer films having alternating layers Ti1_xAlxN„K-Ti1_xAlxNHK in the treatment of steels 14Cr17Ni2, 10S20 and brass CuZn38Pb1,5 are demonstrated.
Keywords: multilayers, phase composition, elemental composition, physical and mechanical properties, tribological properties, corrosion properties, nanocrystalline structure, polycrystalline structure.
Инженерия поверхности является одним из наиболее перспективных и интенсивно развивающихся направлений современного материаловедения. Стремление увеличить производительность механической обработки за счет интенсификации процесса резания, применения многоинструментальной обработки приводит к необходимости увеличения стойкости режущего инструмента (РИ) против абразивного износа, задира, ударных и температурных нагрузок [1]. Применение ионно-плазменных технологий в производственном цикле предприятия позволяет многократно улучшить эксплуатационные характеристики материала РИ. Сообщение поверхности режущего инструмента комплекса функциональных свойств возможно путем проектирования многослойных пленок на основе Ti-Al-N. Концепция построения многослойных пленок может быть выработана только на основании детального знания всех структурных характеристик, фазового и элементного состава, строения, морфологии поверхности и напряженного состояния, их зависимости от технологических параметров (ТП) процесса осаждения и их влияния на свойства формируемых пленок Ti-Al-N [2, 3].
Целью настоящей работы является установление корреляционных зависимостей между технологическими параметрами процесса импульсного магнетронного распыления (ИМР), фазовым, элементным составом, микроструктурой, топографией поверхности пленок Ti-Al-N и их свойств. На основании полученных закономерностей необходимо разработать конструкцию многослойной пленки на основе слоев Ti1-xAlxN со стабильными и высокими функциональными свойствами.
Методика эксперимента
Осаждение пленок Ti1-xAlxN осуществляли методом импульсного магнетронного распыления двух мишеней из Ti марки ВТ-1-00 и Al марки А85. Материал тестовых образцов (12*12x3 мм) - Р6М5 с температурой отпуска Тотп = 773...873 К. Подготовка поверхности образцов: ионная очистка (нагрев до температуры 540 К). Для увеличения адгезионной прочности пленки Ti1-xAlxN на подложку предварительно осаждали подслои из Т^ затем из TiN. Диапазоны экспериментальных технологических параметров процесса осаждения: Р = 0,24.0,28 Па, исм = 45.55 В, /Ai = 3.16 А.
Ионное травление поперечного излома многослойной пленки выполнено на установке Hitachi IM4000. Микроструктуру сформированных пленок изучали на электронных микроскопах Carl Zeiss Leo1430 VP, Ultra 55 с приставкой для микроанализа EDAX Genesis 2000. Физико-механические свойства (Ф-МС) пленок определяли методом на-ноиндентации в соответствии с DIN EN ISO 14577-1 с использованием прибора Micro-combi tester. Адгезию пленки оценивали по величине SRC - отношению площади скола пленки вокруг отпечатка алмазного конуса Роквелла (150 кгс) к площади отпечатка в плоскости пленки (метод разработан в ХФТИ) и по стандарту VDI 3198. Трибологиче-ские свойства пленок Ti-Al-N определяли на лабораторной машине трения AE-5 по схеме палец - диск при температуре (20 ± 1) °С в среде СОЖ при осевой нагрузке на три пальца Fa = 175 Н, линейной скорости скольжения пальца v = 0,68 м/с и пути трения Ьт = 780 м. В качестве контртела использовались пальцы размерами 12*14 мм, выполненные по ТУ 48-19-281-90 из стали 40Х. Расчет характеристик приведенного объемного и массового износа пленки и контртела выполнен согласно методике [4].
Результаты эксперимента и обсуждение
Осажденные пленки Ti-Al-N состоят из фаз: кубической TiN (c-TiN с решеткой типа NaCl), кубической AlN (c-AlN с решеткой типа NaCl) с ориентацией зерен относительно плоскости (111), гексагональной Ti3Al2N2 (/z-Ti3Al2N2 с решеткой типа P63mc) с ориентацией зерен относительно плоскости (107) и гексагональной AlN (w-AlN
с решеткой типа 2пБ) с ориентацией зерен относительно плоскости (100). Увеличение давления газовой смеси Р до 0,28 Па, напряжения смещения на подложке исм до 50 В и разрядного тока на алюминиевой мишени /Л1 до 15 А приводит к фазовому переходу от (111)с-Т1К к (107)Л-Т1зЛ12К2, росту объемной доли фазы (107)Л-Т1зЛ12К2 (^-т;зЛ12м2 до 86 %), содержания Л1 в пленке (Т10,б2Л10,з8К), увеличению степени текстурированности пленки (Т(107) до 0,86), уменьшению параметров кристаллической решетки (КР) основной фазы (а и с) и снижению микродеформации КР основной фазы (£(ю7)Т;зЛ12м2 до
0,24 %), уменьшению размеров областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения (ОКР до 6 нм) пленки (рис. 1, а-в).
Рост исм до 55 В приводит к увеличению объемной доли фазы (111)с-ЛШ (Кй-Лш до 25 %), снижению объемной доли фазы (107)Л-Т1зЛ12К2 (У^зщщ до 65 %) и содержания Л1 в пленке
Т10,65Л10,з5К с уменьшением Т(107) (см. рис. 1, б). Фаза (100)^-ЛШ образуется при повышении разрядного тока до /Л1 = 16 А и увеличении содержания Л1 в пленке Т10,40Л10,60К.
Микроструктура поверхности пленок Т1-Л1-№ с увеличением Р, исм и /Л1 изменяется от глобулярной и неравномерной крупноячеистой (при Р = 0,24 Па, исм = 40 В и /Л1 = з.. .7 А) до плотной упорядоченной равномерно зернистой структуры (рис. 2), полученной при Р = = 0,28 Па, исм = 50.55 В и /^ = 15.16 А. Рост Р, иСм и /^ приводит к снижению размера кристаллитов до 10.20 нм, увеличивает их относительную плотность, уменьшает количество и размеры ЭБ-обра-зований и дефектов поверхности, снижает шероховатость поверхности пленки Яа до 17,5 нм. Формирование ячеистой структуры и разрушение поверхностных слоев обусловлено разнородными напряжениями в пленке. Снижение внутренних напряжений, первичное упорядочение пленки и начало процесса наноструктурирования с формированием нанокристаллической структуры (нк) выявлено при достижении комплекса ТП: Р = 0,28 Па, исм = -50 В, /Л1 = 15 А. Поликристаллическая структура (пк) пленок с размером зерна до 50 нм формируется при исм = -55 В и /Л1 = 14 А.
Рис. 1. Зависимость фазового состава и структуры пленок Т-Л-Ы от технологических параметров процесса осаждения
а б
Рис. 2. Микроструктура пленок на основе Т1-Л1-Ы":
а - нанокристаллическая структура; б - поликристаллическая структура
Сопоставление результатов механических и трибологических испытаний пленок Т1-А1-К с полученными результатами фазового, элементного и структурного анализов показало, что комплекс высоких Ф-МС: = 40,2 ГПа, Е = з05 ГПа, Нз/Е2 = 1,27 ГПа, Н/Е = 0,14, Же = = 7з %; и трибологических свойств: Цн = 0,08, Цск = 0,07, Ьи = 12 м при 1Т = 780 м, /^ = 0,04 • 10-4 ммз • Н-1 • м-1, /пт = 0,07 • 10-5 мг • Н-1 • м-1,
/V = 0,05 • 10-8 ммз • Н-1 • м-1 - может быть получен при следующих параметрах состава, структуры и напряженного состояния пленки:
1) максимальное содержание 86 % (рис. з, а);
2) оптимальное содержание Л1 в пленке Сд = х = 0,з8 (рис. з, б);
3) стехиометрический состав пленки: а = 0,2994 нм и с/а = 7,826 нм;
4) минимальный средний размер ОКР 6 нм;
5) максимальная степень текстурированности Т(107) = 0,80 (рис. з, в);
6) нанокристаллическая структура с максимальной плотностью кристаллитов, наименьшей дефектностью и шероховатостью поверхности;
7) минимальный уровень внутренних сжимающих напряжений: степень деформации КР-фазы ^-Т1зЛ12К2 (£(107)Т1зА12н2 не более 0,24 %)
(рис. з, г), отклонение расстояния между дифракционными пиками (105) и (0020) фазы ^-Т1зЛ12К2 относительно аналогичного расстояния в порошковой рентгенограмме (А20Т1зЛ1^2 не более -0,10 %).
Пленки на основе фазы ^-Т1зА12К2 и с-АГЫ с поликристаллической структурой и двухкомпонентной текстурой имеют сниженные значения = з5,6 ГПа, Нз/Е2 = 0,94 ГПа, Н/Е = 0,118, Цск = 0,11, /^ =
= 0,12 • 10-4 мм3 • Н-1 • м-1, IV = 0,21 • 10-8 мм3 • Н-1 • м-1. Высокие ударостойкие свойства пленкам с поликристаллической структурой обеспечивают низкие значения Е = 298,8 ГПа и высокие значения Же = 75 %.
Рис. 3. Зависимость физико-механических свойств от состава и структуры пленок Т1-Л1-Ы
Фазовый переход кубической фазы с-ЛШ в фазу вюрцита ^-ЛШ (^(юо)»-аш = 19 %) при х > 0,60 в пленке Т11-ХЛ1ХК приводит к ухудшению ее Ф-МС и трибологических свойств вследствие несоответствия молярных объемов фазы Л-Т13Л12К2 и фазы ^-ЛШ.
Установлено, что стабильность коэффициента трения на протяжении пути трения зависит от содержания Ук_ГчЛ12щ, СА1 в пленке
Т11-ХЛ1ХК и шероховатости ее поверхности (рис. 4).
Рис. 4. Зависимости коэффициента трения пленки Т1-А1-Ы от состава, структуры и шероховатости ее поверхности
Решение задачи по обеспечению высокой стойкости РИ, работающих в условиях совместного действия абразивного износа и ударных нагрузок, возможно только при проектировании многослойных пленок, каждый слой которых обладает гарантированно заданным составом, структурой, оптимальными Ф-МС, трибологическими и ударостойкими свойствами [5].
Полученные корреляционные зависимости состава, структуры и свойств позволили выработать концепцию построения многослойной пленки Т1-Т1К-[Т11-хЛ1хКпк-Т11-хА1хКнк]й-Т11-хА1хКнк с чередующимися слоями [Т11-хА1хКпк-Т11-хЛ1хКнк]„, адаптированными под заданные функциональные задачи, определенные условиями эксплуатации (рис. 5).
Стойкость к абразивному износу в процессах прерывистого резания в среде СОЖ многослойной пленки Т1-Т1К-[Т11-хЛ1хКпк-Т11-хЛ1хКнк]„-Т11-хЛ1хКнк определена функциями слоев:
Рис. 5. Многослойная пленка Ti-TiN-[Tii_xAlxNnK-Tii.xAlxNHK]„-Tii_xAlxNH с чередующимися слоями Tii_xAlxNnK-Tii_xAlxNHK
1. Адгезионный подслой Ti и переходный слой TiN обеспечивают адгезионную прочность пленки (SRC = 0 %, HF1), полученную за счет близких коэффициентов термического расширения а-п/а,
подл
= 0,
и а-п/а™ = 0,9.
2. Промежуточные слои с поликристаллической структурой Т11-хА1хКпк обладают стабильным фазовым составом: УИ_Т-1А2щ = 65 %,
= 25 %; элементным составом СЛ1 = 0,з5; низким значением Е = 298,8 ГПа, высоким значением Же = 75 %; выполняют функцию демпфера и обеспечивают улучшенные ударостойкие свойства.
3. Нанесение промежуточных слоев и верхнего слоя Т11-хА1хКнк с нанокристаллической структурой обеспечивает пленке комплекс высоких Ф-МС и трибологических свойств.
4. Многократное чередование промежуточных слоев [Т11-х А1хКпк-Т11-хАШнк]„ толщиной не более 220 нм для Т11-хЛ1хКнк и 110 нм для Т11-хЛ1хКпк обеспечивает необходимый градиент Ф-МС по сечению пленки, что способствует эффективному торможению развития «хрупкой трещины», повышению износо-, ударостойкости осаждаемой пленки.
Промышленные испытания по поперечному фрезерованию, нарезанию резьб и сверлению материалов 12Х18Н10Т, ЛС-59-1, Д16Т, 08кп, А12, 40Х, стеклотекстолита СТЭФ мелкоразмерными фрезами, метчиками и сверлами из стали Р6М5, Р18, упрочненными многослойной пленкой Т1-Т1К-[Т1^АШпк-Т1-хАШнк]„-Т11-хАШнк, выполненные в производственных условиях ООО ИПК «Техноконтроль» и ООО «Лысьвенский завод бытовой техники», показали увеличение стойкости РИ до 2,з5-4,8 раз (рис. 6).
Рис. 6. Результаты промышленных испытаний режущего инструмента при обработке различных групп материалов
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
Установлены закономерности изменения фазового и элементного составов, структуры и топографии поверхности пленок Т1—Л1—К от технологических параметров процесса ИМР. Показано, что увеличение Р до 0,28 Па, исм на подложке до 50 В и 1Л1 до 15 А приводит к увеличению объемной доли термически стабильной фазы Л—Т13Л12К2, содержания Л1 до 0,38, степени текстурированности пленки до 0,80, снижению степени деформации КР; способствует формированию стабильной нанокристаллической структуры пленки с размером зерна до 20 нм. Плотная поликристаллическая структура пленок на основе фаз Л—Т13Л12К2 и с—ЛШ формируется при увеличении исм до 55 В и снижении 1Л1 до 14 А.
Наилучший комплекс Ф-МС и трибологических свойств получен для пленки Т1—Л1—NN с нанокристаллической структурой. Высокие ударостойкие свойства получены у пленки с поликристаллической структурой. Показано, что основными параметрами, определяющими стойкость многослойной пленки на основе Т1—Л1—К к абразивному износу в условиях прерывистого резания в среде СОЖ, являются объемная доля фазы Л—Т13Л12К2, концентрация Л1 и градиент структуры чередующихся нанокристаллического и поликристаллического слоев Т11—хЛ1хКпк — Тц—.ЛШнк.
Список литературы
1. Григорьев С.Н. Повышение надежности режущего инструмента путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки: дис. ... д-ра техн. наук. - М., 1995. - 448 с.
2. Improvement of mechanical and tribological properties in steel surfaces by using titanium-aluminum/titanium-aluminum nitride multilayered system / L. Ipaz, J.C. Caicedo, J. Esteve, F.J. Espinoza-Beltran, G. Zambrano // Applied Surface Science. - 2012 - Vol. 258, iss. 8. -P.3805-3814.
3. Mechanical properties and machining performance of Ti1-xAlxN-coated cutting tools / A. Horling, L. Hultman, M. Oden, J. Sjolen, L. Karlsson // Surface and Coatings Technology. - 2005. - Vol. 191. - P. 384-392.
4. Каменева А.Л., Караваев Д.М., Пименова Н.В. Методики изучения трибологических характеристик пленок // Технология металлов. -2012. - № 2. - С. 34-38.
5. Патент № 2533576 РФ, МПК С23С14/06. Способ получения многослойного многофункционального покрытия / Каменева А.Л., Сошина Т.О. Опубл. 20.11.2014. Бюл. № 32.
References
1. Grigor'ev S.N. Povyshenie nadezhnosti rezhushchego instrumenta putem kompleksnoi ionno-plazmennoi poverkhnostnoi obrabotki [Improving the reliability of the cutting tool by someone the complex ion-plasma surface treatment]. Doctor's degree dissertstion. Moscow, 1995. 448 p.
2. Ipaz L., Caicedo J.C., Esteve J., Espinoza-Beltran F.J., Zambrano G. Improvement of mechanical and tribological properties in steel surfaces by using titanium-aluminum/titanium-aluminum nitride multilayered system. Applied Surface Science, 2012, vol. 258, no. 8, pp. 3805-3814.
3. Horling A., Hultman L., Oden M., Sjolen J., Karlsson L. Mechanical properties and machining performance of Ti1-xAlxN-coated cutting tools. SurfaceandCoatings Technology, 2005, vol. 191, pp. 384-392.
4. Kameneva A.L., Karavaev D.M., Pimenova N.V. Metodiki izu-cheniia tribologicheskikh kharakteristik plenok [Methods of studying the tribological characteristics of films]. Tekhnologiia metallov, 2012, no. 2, pp. 34-38.
5. Kameneva A.L., Soshina T.O. Sposob polucheniia mnogosloinogo mnogofunktsional'nogo pokrytiia [A method for producing a multilayer coating multifunction]. Patent № 2533576 RF, MPKS23S14/06. 20.11.2014. Biulleten' no. 32.
Получено 29.06.2015
Об авторе
Сошина Татьяна Олеговна (Пермь, Россия) - заведующая лабораторией металлургии, доцент кафедры «Технические дисциплины» Лысьвенского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета; e-mail: soshtanya@rambler.ru.
About the author
Tat'iana О. Soshina (Lysva, Russian Federation) - Head of the Laboratory of Metallurgy, Associate Professor, Department "Engineering Disciplines", Perm National Research Polytechnic University, Lysvensky branch; e-mail: soshtanya@rambler.ru.
